Центробежное разделение сточных вод

Достоинства гидроциклонов  

Основные  достоинства гидроциклонов –  высокая производительность и небольшие габаритные размеры. Благодаря несложной конструкции гидроциклонам присуща и простота в эксплуатации. Кроме того, они энергонезависимы и имеют относительно невысокую стоимость. Большинству гидроциклонов не нужны расходные материалы. При их работе не производятся замена или регенерация фильтрационной среды (как в осветлительных или сорбционных фильтрах). Техническое обслуживание гидроциклонов не требует сложного оборудования и квалифицированного персонала. По свои техническим возможностям гидроциклоны могут конкурировать с другими методами водоочистки, имея перед некоторыми из них неоспоримые преимущества. Так, по сравнению с отстойниками, гидроциклоны не требуют значительных площадей под установку.    
 
 

Материал изготовления  

Важным  аспектом в оценке потребительских качеств гидроциклонов является материал, из которого они изготовлены. Это связано с абразивной устойчивостью поверхностей таких аппаратов, контактирующих с водным потоком. Дело в том, что в процессе работы гидроциклона за счет воздействия механических примесей и потока воды происходит износ поверхности.   

     Гидроциклоны  изготавливают из металлов и пластических масс. Из пластиков чаще всего используется литьевой полиэтилен низкого давления. В случае применения других полимерных материалов они также должны обладать высокой прочностью и износостойкостью. Примером пластмассовых гидроциклонов могут служить аппараты марки ТВП. Эти гидроциклоны имеют внутренний диаметр от 25 до 100 мм, а их пропускная способность составляет 1,3–18,2 м³/ч.    

     Достаточно часто для изготовления гидроциклонов используют сплавы углеродистых и легированных сталей. В отличие от пластиковых гидроциклонов, которые обычно бывают цельнолитыми, металлические аппараты имеют разборную конструкцию. Из металлических гидроциклонов, представленных на российском рынке, можно отметить аппараты марок ТВУ, ТВК, СВК и ТВКК. В этот перечень попадают гидроциклоны с огромным разбросом по величине диаметра внутренней части аппарата (от 25 мм до1 м) и производительности (1–450 м ³/ч).  

     Следует отметить, что в конструкции гидроциклонов, предназначенных для обработки водных сред, обладающих повышенным абразивным действием, предусмотрены специальные вкладыши из резины. Кроме того, их поверхность обрабатывается карбидом кремния. Такие гидроциклоны (марка ГЦ) выпускает ЗАО «Новые технологии и оборудование» (Москва). Внутренняя поверхность этих гидроциклонов покрыта футеровкой из самосвязанного карбида кремния. Важно отметить, что срок службы гидроциклонов с футеровкой из карбида кремния в 10–20 раз выше, чем у аппаратов из хромоникелевых сплавов, каменного литья и резины.    
 
 

Сфера применения  

Гидроциклоны  могут использоваться для очистки  и обработки воды на ТЭЦ, в котельных, тепловых сетях, а также для обработки  сточных вод. Однако необходимо отметить, что применение гидроциклонов открытого  типа на теплоэнергетических объектах малоперспективно: для этой области больше подходят напорные гидроциклоны закрытого типа. Другая специфическая особенность использования этих аппаратов в теплоэнергетике заключается в том, что высокая эффективность очистки достигается при многократном пропускании обрабатываемой воды через гидроциклон. Такая схема хорошо реализуется в условиях постоянной рециркуляции горячей воды в замкнутом контуре.    

     Заметим: эффективность очистки воды с  помощью гидроциклона значительно  возрастает в комбинации с химическими  реагентами (табл.), способствующими переводу примесей в нерастворимое состояние.    

     Если  гидроциклоны традиционно довольно широко применяют на горно-обогатительных предприятиях, то для водоподготовки – неоправданно мало. Среди большого числа фирм и организаций, занимающихся проектированием, монтажом и сервисным обслуживанием систем водоподготовки, лишь единицы используют в своей работе аппараты гидроциклонного типа.  

     Стоит отметить способы удаления механических примесей из воды путем  совместного применения гидроциклонов с другими видами обработки. Так, достаточно продуктивно гидроциклоны используют в комбинации с магнитными способами обработки воды. Под действием магнитного поля в воде происходит образование осадка, который удаляется с помощью гидроциклонов. Такой способ обычно реализуется при обработке циркуляционной воды в системах теплоснабжения.    

     Другой пример комбинированного использования гидроциклонов – совмещение процессов удаление механических примесей на гидроциклонном аппарате и фильтрации на складчатом мембранном фильтре картриджного типа. При таком сочетании основная доля механических примесей удаляется гидроциклоном, а окончательная (тонкая) доочистка происходит на фильтрационном аппарате. Такое сочетание двух приемов удаления механических примесей позволяет не только повысить степень очистки воды, но и значительно продлить срок службы картриджного фильтра.   

     Такие установки, например, выпускает фирма Harmsco Industrial Filters (США). Они представляют собой напорные гидроциклоны, совмещенные с патронными фильтрами на основе гофрированного полотна из полиэфира с площадью поверхности 3,7–15,8 м² и размером пор 0,35–150 мкм. В этих установках вода сначала освобождается от крупной взвеси, оседающей в нижней части гидроциклона, а затем поступает на фильтрующий элемент, который задерживает тонкодисперсную взвесь. Пропускная способностью таких аппаратов составляет 11–150 м³/ч, внутренний диаметр – от 330 до 750 мм

3. Общая характеристика  гидроциклонов

Гидроциклоны  используются в процессах  осветления сточных  вод, сгущения осадка, обогащения известкового молока, отмывки песка от органических веществ, в том числе нефтепродуктов и жира, т.е. в нефтепромыслах, автохозяйствах, стекольных, литейных производствах и др.

При осветлении сточных  вод аппараты малых  размеров обеспечивают больший эффект очистки. При сгущении осадков минерального происхождения следует применять гидроциклоны больших диаметров (свыше 150 мм). Для механической очистки сточных вод от взвешенных веществ допускается применять открытые и напорные гидроциклоны. Открытые - для выделения всплывающих, оседающих грубодисперсных примесей гидравлической крупностью свыше 0,2 мм/с и скоагулированной взвеси и напорные - для выделения из сточных вод грубодисперсных примесей минерального происхождения. Для расчета и проектирования установок с открытыми циклонами задаются те же параметры по воде и загрязнениям, что и для отстойников. Гидравлическая крупность частиц, которые надо выделить для обеспечения требуемого эффекта очистки, определяется при высоте слоя воды, равном 200 мм. Для многоярусных гидроциклонов слой отстаивания должен быть равен высоте яруса.

Выделение примесей из сточных  вод эффективно осуществляется под действием  центробежных и центростремительных  сил в открытых и напорных гидроциклонах. Открытые гидроциклоны применяют для выделения из суспензий частиц диаметром >0,1 мкм при очистке грубодиспергированных примесей.

3.1 Открытые гидроциклоны

Открытые  гидроциклоны применяют  для выделения  из суспензий частиц диаметром >0,1 мкм  при очистке грубодиспергированных примесей.

Модифицированный  гидроциклон с  конической диафрагмой и внутренним цилиндром (рис. 3) устраняет накопление взвешенных частиц под  диафрагмой и их периодический  вынос с осветленной  водой.

Исходную  суспензию подают тангенциально в  нижнюю часть зоны, ограниченную внутренним цилиндром. Восходящий поток у верхней кромки цилиндра разделяется на основной поток, движущийся по спирали к центральному отверстию в диафрагме, и дополнительный, поступающий в зазор между стенками гидроциклона и цилиндра. В дополнительном потоке транспортируются выделившиеся в восходящем потоке взвешенные частицы.

Рис. 3 Открытые гидроциклоны: а - без внутренних вставок; б - с конической диафрагмой; в - с  конической диафрагмой и внутренним цилиндром

Основной расчетной  величиной открытых гидроциклонов является удельная гидравлическая нагрузка q_hc (м³/ (м²ч), определяемая по формуле

q_hc = 3,6 * K_hc * U_o,

где U_o - гидравлическая крупность частиц, которые необходимо выделить для обеспечения требуемого эффекта, мм/с;

К_hc - коэффициент пропорциональности, зависящий от типа гидроциклона и равный для гидроциклонов: а) без внутренних устройств 0,61; б) с конической диафрагмой и внутренним цилиндром 1,98; в) многоярусного с центральными выпусками

здесь n_ti - число ярусов, D_hc - диаметр гидроциклона, м; d_d - диаметр окружности, на которой располагаются раструбы выпусков, м; г) многоярусного с периферийным отбором осветленной воды

где n'_ti - число пар ярусов; d_{d -} диаметр отверстия средней диафрагмы пары ярусов, м. Величины конструктивных размеров D_hc, d_en и т.д., входящих в расчетные зависимости, принимаются по табл.6. Производительность одного аппарата определяют по формуле

где q_hc - удельная гидравлическая нагрузка, м³/м²*ч; D_hc² - диаметр гидроциклона, м.

Исходя  из общего количества сточных вод Q_w определяют количество рабочих единиц циклонов N

После назначения диаметра аппарата и определения  их количества по табл.6 определяют основные размеры гидроциклона.

Угол  наклона образующей для конических диафрагм в от крытых гидроциклонах  в каждом случае задается с учетом свойств выделяемого осадка, но не менее 45°.

Диафрагмы в открытых гидроциклонах  могут быть выполнены  как из стали, так  и из неметаллических  материалов (ткань, пластик  и т.д.).

В канале пропорционального  водораспределительного устройства многоярусного гидроциклона скорость восходящего потока должна быть не менее 0,4 м/с.

Для равномерного распределения  воды между гидроциклонами их водосливные кромки должны располагаться  на одной отметке, а на подводящих трубопроводах  должны быть установлены водоизмерительные устройства.

Угол  наклона образующей для конических диафрагм в открытых гидроциклонах  в каждом случае задается с учетом свойств  выделяемого осадка, но не менее 45°.

Диафрагмы в открытых гидроциклонах  могут быть выполнены  как из стали, так и из неметаллических материалов (ткань, пластик и т.д.).

В канале пропорционального  водораспределительного устройства многоярусного  гидроциклона скорость восходящего потока должна быть не менее 0,4 м/с.

Для равномерного распределения  воды между гидроциклонами их водосливные кромки должны располагаться на одной отметке, а на подводящих трубопроводах должны быть установлены водоизмерительные устройства.

3.2 Напорные гидроциклоны

На  очистных сооружениях  в напорных гидроциклонах  производится сгущение сточных вод и осадков. Поскольку объем сгущенного продукта в этих аппаратах может составлять всего 2,5 - 10% начального объема обрабатываемой суспензии, технологическая операция сгущения дает значительную экономию материальных затрат на строительство очистных сооружений и участков обработки осадков. Происходит эффективная отмывка минеральных частиц от налипших на них органических загрязнений, например, на очистных сооружениях нефтеперерабатывающих заводов при обработке песка из песколовки или при отмывке песчаной загрузки фильтров при её гидроперегрузке.

В многоярусном гидроциклоне (рис.4), состоящем из конической 1 и цилиндрической 9 частей, рабочий объем  разделен коническими  диафрагмами 10 на отдельные  ярусы (зоны), работающие независимо одна от другой. В основе работы такого аппарата лежит принцип тонкослойного отстаивания. Исходная смесь поступает в аванкамеры 3 с распределительными лопатками 16 и равномерно распределяется между ярусами 12. Вода из аванкамер 3 выводится через три щели 11, расположенные по окружности циклона через 120° и равномерно по его высоте. Поступающая сточная вода движется по нисходящей спирали к центру. Частицы тяжелее воды оседают на нижних диафрагмах ярусов, сползают к центру и, попав под шламозадерживающие козырьки 13, через кольцевую щель 2 опускаются в коническую часть. Масло с примесями, выделившееся в ярусах, всплывает к верхним коническим диафрагмам 10, задерживается перегородкой 6 и попадает в водосборник, откуда маслосборными воронками 7 через трубы 4 удаляется из гидроциклона. Осветленная вода выводится через три тангенциальных выпуска 14. В центральной части циклона жидкость поднимается вверх, через водослив 5 переливается в лоток 8 и удаляется из циклона. Осадок из конической части 1 удаляется через разгрузочное отверстие 15 под действием гидростатического напора.